（机械电子工程专业论文）基于多领域混合建模的汽车动力传动系统的振动与噪声分析技术.pdf

ni 艺0 三， ： ； 黟0h磙搿露 b yz h e n g d i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a nq i n g k a i n o n h e a s t e mu n i v e 邢i t y j a n u a r y2 0 0 8 脚； g 。 七 n d b a s e d l 7 0 ，。二审。y，鸯， 。 、 j ， 簪 ： b yz h e n g d i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a nq i n g l 【a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j 粕u a r y2 0 0 8 n d b a s e d ， ，y 1一00一_。- t 。 0 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我二同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名，敏浓 日期： 砂l ；1 r cd 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， ， 一 i 9 二 本文对汽车动力传动系统n v h 的研究内容和研究方法进行了综合性论述，介绍 了n 的研究对象、研究内容以及研究方法的概念和应用领域，并以试验车型的动 力传动系统的振动、噪声分析为基础，利用试验与计算相互验证的手段，缩短汽车动 力传动系统正向设计研发周期。本文主要进行以下几项工作： 动力传动系统振动噪声机理分析与控制：处于低中频段的动力传动系统振动是引 起发动机及传动系零部件破坏的直接原因，也是车内低频噪声的主要振源。综合应用 整机及系统级多场耦合模型技术，传递路径分析和模态贡献量分析技术等，对其存在 的n v i 问题进行分析和研究。 汽车排气系统振动噪声机理分析与试验：利用b & k3 5 6 0 d 振动噪声测试系统， 4 5 0 8 b 加速度传感器，4 5 0 6 b 加速度传感器及p u l s e 测试分析软件包进行排气系统及 转向管柱自由状态、安装状态两种工况下的模态实验。 汽车排气系统有限元分析与优化：根据实际尺寸，建立排气系统的三维模型，进 一步导入砧临y s 中得到有限元模型后，进行所需的振动、噪声特性分析及谐响应分 析。 关键词：n v h ：动力传动系统；有限元法；谐响应 k；尸i ，_l 罩 - _ ，弘产 凄l-f毒g， j 妨 羹 、 e c h n o l o g yo fn o i s ea n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e d o m a i n sm o d e u i n g a b s t r a c t t h cv i b 础o n - a o o 璐雠硝c 砌眦t h ev c 蛐l e ，c o m b i i 湖w i 也也cs t u d y 姗n l c p a 鼹曲g t 髂0 b j e c l i l 陀f c c l i n g 趾d 他s p 恤s ct ot h ev i b 功t i o na n dn o i s e f 0 曲畸t h c 、他h ic ：l c n v h 烈o i s c v i h a ，h a r s h n 鼯s ) 咖l 咖n ip e i ：f 0 】咖蛆c ew h i c hd i - e c t l yr c n e c bt l 圮 d ) ，n a 血cc h a 船d e i i s t i 岱锄dp c 时b n n a n c c0 ft h cv 出c l eh 弱b e c o m cac o m p r c h e 硒i v c t c c h n i c a li n d i c 舢0 f 1 飞e 、，i b r a t i i 嘶- a c o u s t i c0 p t i m i z a t i 衄t e c h l l i q 鹏s0 fc n t 讹v e h i d e 缸瑚 t h ea 孵c0 f n v hi so 0 f t h ec 0 他啪p e t i t i v c 岬o f v 咖d et 叩- d 0 肌d e s 酒龃dm e k c ym a n c r0 fv i b r a t i o n - a c o u s & p 晌m 锄c ci 皿l p r o v c m e n t0 f 懿i s t i n gt ) ，p e0 fv c h i d e i l l 1 i sp a p c r ，恤cm s e 矧hc o n t e n t 趾dm e 咖) d0 fv e l l i d ep 明惯蛔n s m i s s i s y s t 锄 a 他i n 缸o d u c e d 蜀b t l y f o l l o 、) l ，i n gw l l i c ht h er e a r c ho b j e c t 觚da p p l i c a t i 矗e l d sa 地 瑚哟l d c d & 啪d t h cv i b 】伽0 n 锄dn o i s e 觚a l y s i so fp o w c rt r a 粥m i s s i o ns y s t 锄0 fc e n a i n t y p ev 出d c ，t h e 柚a l y s i s 柚dd e s i g np 加髓：s s 髓a 陀0 p t i l n 砌私w e l l 弱al i n i f i e d 姐d g c r a lo p t i m i z c dp l a d 谊mi sp r o v i d c d 蠡o rt h cf ：l n u r ew o r k 1 1 i i sp a p e ri 玳h d 锶t h e f o n o w i n g s ： t h em e c h 锄_ i s m 觚a l y s i s 趾dc c i n t r o lo fv i b r a t i o n 锄dn o i s ef 研p o w 贸t r a 璐m i s s i o n s y s t 锄：t h ev i b r a t i 蚰i nl o w 雒dm e d i u m 盘e q u e i 卿i st h ed i r e c tr c 弱o n 置0 rt h ep a n sd 锄a g c 丘0 m 姐百n 锄d 仃a n s m i 鹞i 咖s y s t e m ，舔、耽u 弱t h em a j nv i b f a t i o n a l u r c co f1 0 w f r c q u e n c y 聃i s ei nv e h i d e 1 km u l t i f i c l d sc o u p l c dm o d c lt c c h 加1 9 9 y t m s 五叨p a t h t e e h n o l o g y 柚dc o n t d b u t o r 距a l y s i s0 fm o d e st e c h n o l o g ya f cu s c dt 0i n v e s t i g a t et h en p 帅怫锄s t h em e c ：h a n i 锄觚a l y s i s 觚dc x p 洳如to fv i b r a t i 锄dn o i s ef o fp i 哪c rt r 觚s n l i s s i o n s y s t e m ：t h ea p p 猢t u sb & k3 5 6 0 ds y s t 锄麟v i b r a t i 锄锄dn o i s et c s t ，t h e4 5 0 8 b a c c e l 啪【t i o ns 伽r t l l e4 5 0 6 b 的c c l c r a t i 彻s e 璐0 r 锄dm ep a c k a g c0 fp u l s e 觚a l 妒c a l f 1 w a r ea r ca d o p t c dt oi m p l 锄锄tm o d et 骼tf o re m i s s i o ns y s t e m 弧d c r 眠c o n d i ! t i o n 柚d i i i 东北大学硕士学位论文a j 硌t m c t i i l s t a u a t i o nc o n d i t i o n n el j n i t cc l e m 锄t 柚a l y s i s 锄d0 p t i m i z a t i o fv e h i c l ee m i s s i s y s t 锄：a c c i d r d i n gt 0 妇：他a ld i m 髓s i 衄s ，t h c3 dm o d e lo f 锄i s s i o ns y s t 锄i sb u i n 龃di m p o n c di l l t om 临； p r c p 面n gf 6 rt h en c x tv i b r a t i 嘶，i 锄d h 锄砸c 删e 柚a l y s i s k e yw o r d s ：n v h ；p ( y w e rt 姗s m i 鹋i 伽s y s t 锄；f i i l i t ec l e m tm e t h o d ；h a 珊0 n i cr e s p o n s c 3；童 趣r i l 冬 童 目录 目录 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 本文的研究背景和研究意义1 1 2 国内外研究概况2 1 3 本文的主要工作3 第2 章动力传动系统振动噪声机理分析与控制方法5 2 1 汽车n v h 技术研究内容及方法。5 2 1 1 汽车n v h 研究的主要对象和主要内容5 2 1 2 汽车n v i 研究的主要方法。6 2 2 动力传动系统振动噪声分析方法研究1 3 2 2 1 模态匹配方法研究1 4 2 2 2 多场耦合问题提出及在工程中的应用。1 7 2 3 本章小结2 1 第3 章排气系统振动噪声机理分析与试验。2 2 3 1 排气系统振动噪声机理分析。2 2 3 1 1 排气系统的振动分析2 2 3 1 2 排气系统的噪声分析与控制。2 3 3 2 排气系统振动试验。2 6 3 2 1 支撑方式。2 6 3 2 2 模型建立2 6 3 2 3 数据采集及时域、频域信号处理：2 7 3 2 4 参数识别及振型获取2 8 3 3 本章小结3 3 第4 章排气系统有限元分析与优化3 4 4 1 分析软件介绍及三维、有限元模型建立3 4 4 1 1 三维模型建立3 5 4 1 2 有限元网格模型建立3 5 v 东北大学硕士学位论文目录 4 2 排气系统模态计算4 1 4 2 1 排气系统自由状态模态计算4 l 4 2 2 排气系统安装状态模态计算“4 4 4 2 3 排气系统正弦振动载荷响应分析。4 6 4 3 本章小结。4 8 第5 章结论与展望4 9 5 1 结论j 4 9 5 2 展望一4 9 参考文献：5 l 弱c 谢。5 4 3 0 |、嗨乏 j 警 第1 章绪论 j 第1 章绪论 背景和研究意义 经济的领航产业之一，它能够在众多相关行业中形成巨大的波及 经济和科技发展水平的具体体现。 声问题的研究，一般是结合汽车乘客的主观感受进行分析，形成 所谓汽车的n v l i 问题，即n 0 i s e ( 噪声) 、b r a t i o n ( 振动) 和h 琊h n e s s ( 声振粗糙度) 。汽 车n v h 不仅是车辆动态特性的直接表现，与车辆动态性能( 运动、操纵、强度、寿 命、可靠性等) 直接相关，是衡量汽车制造质量的一个综合性技术指标。从n 、，h 角 度出发，掌握整车振动噪声性能优化技术，是车辆正向设计技术的核心竞争力之一， 也是现有车型振动噪声性能改进的重要关键内容。 从全球的眼光来看，在竞争日益激烈、轿车产品高度同质化的今天，轿车的n v h 品质成为影响消费者选择一款产品的重要因素之一，因此也成为各大厂商的竞争焦点； 当前，所有汽车厂都面临着越来越大的市场压力以满足消费者对车辆的振动噪声性能 方面的要求( n v h ) ，有着更好n v h 性能的汽车能够帮助汽车厂商占据更多的市场份 额。以近年在美国汽车市场上的销售情况为例，日本丰田公司生产的咖( 佳美) 牌轿车，本田公司生产的a o r d ( 阿科德) 牌轿车和美国克莱斯勒公司生产的t o l 0 s 牌轿车，三者在市场上的销售比率都曾一跃上升为第一位，原因就是它们在n 领 域的技术处于领先地位。根据对欧洲汽车市场的调查，由于汽车的性能、质量均已达 到较高的水平，因此顾客对乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于汽车款式。对于中小 型汽车，由于市场的激烈竞争使得汽车的质量、价格被严格约束，这就使以改善汽车 乘坐舒适性为目的汽车n v h 特性的研究变得更加重要。而从技术角度，据相关资料 显示，整车约有1 1 3 的故障问题是和车辆的n v h 问题有关，各大汽车公司近2 0 的 研发费用花费在解决车辆的n v h 上。 从国内来看，由于各汽车厂家的新产品自主研发能力与国外先进水平相比有着明 显差距，目前还主要关注车辆的安全性、燃油经济性等方面，对车辆n 、，h 性能刚刚 开始重视，如华晨金杯、浙江吉利等。由于国内整车企业大都选择购买零部件进行组 装，而对于各个系统的振动、噪声特性并不能在设计时就掌握，导致了整车装配后n 性能降低，需要经过反复的试验修改甚至更换零件，延长了设计时间且增加了研究费 用。 - 1 1一名。0c， 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 从汽车n v h 角度出发，汽车动力系统的主要研究对象为发动机的振动噪声问题， 进、排气系统的振动噪声问题和动力传动系统的振动噪声问题，这些系统或为主要的 振动噪声源，或为主要的振动噪声传递路径，并且是汽车最为重要的承载和运动部件， 其性能对整车的综合性能有着重要的影响，因此对这些系统的振动噪声综合控制分析 可谓重中之重。 。 本文结合某试验车型轿车动力传动系统的噪声与振动分析进行研究。通过对该车 型排气系统的振动模态试验数据和有限元模型模态、响应分析数据的分析比较；达到 在设计阶段就掌握系统各种动态特性，为后续的整车n 性能优化提供了有效的数据 支持。 。 1 2 国内外研究概况 当前，所有汽车厂都面临着越来越大的市场压力以满足消费者对车辆的振动噪声 性能方面的要求( n ) ，有着更好n 性能的汽车能够帮助汽车厂商占据更多的市场 份额。以近年在美国汽车市场上的销售情况为例，日本丰田公司生产的c 锄r y ( 佳美) 牌轿车，本田公司生产的a c c o r d ( 阿科德) 牌轿车和美国克莱斯勒公司生产的t o l o s 牌轿车，三者在市场上的销售比率都曾一跃上升为第一位，原因就是它们在n v h 领域 的技术处于领先地位。根据对欧洲汽车市场的调查，由于汽车的性能、质量均已达到 较高的水平，因此顾客对乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于汽车款式。对于中小型 汽车，由于市场的激烈竞争使得汽车的重量、价格被严格约束，这就使以改善汽车乘 坐舒适性为目的汽车n v h 特性的研究变得更加重要。而从技术角度，据相关资料显示， 整车约有1 3 的故障问题是和车辆的n 问题有关，各大汽车公司近2 0 的研发费用 花费在解决车辆的n v h 上。 在国外，汽车n 特性的研究受到汽车界的广泛重视，各大公司( 如福特、戴姆 勒一克莱斯勒、菲亚特等) 在上世纪7 0 年代中期就都成立了专门的n 、，h 研究机构，在 汽车新产品的研发过程中起着重要的作用。近年来，对于汽车n v h 特性的研究已经不 仅限于降低振动和噪声对车内和车外的影响，而是努力将车内所有的噪声声源部件改 善至所能控制的噪声能量级，通过改善声音质量以获得预定的声音特性，使车内环境 成为愉快的、易于为乘客所接受的和谐声学环境。 在我国汽车企业界，由于各汽车厂家的新产品自主研发能力与国外先进水平相比 有着明显差距，目前还主要关注车辆的安全性、燃油经济性等方面，对车辆n 性能 刚刚开始重视，如华晨金杯、浙江吉利等。由于国内整车企业大都选择购买零部件进 2 3 毒 了 ： 戈 p 、皤r ； 。l 。 0 绪论 的解 化的 容广 图i 1 汽车n v h 分析的主要手段及其相互关系 f 塘1 1 m a i n m e m o d so f 粕t o n v h 锄蛐粗dr e l a t i 彻s h i p b c 咖m e m 从图1 1 可以看出，c a e 和试验是n v h 分析的两个互补的不可分割的手段。在c a e 方而，当有了一个设计之后，通过前处理软件建立有限元、边界元( f 酬b 脚) 模型或统 计能量分析( s e a ) 模型，继而进行响应计算、评价、优化和重设计，而同时有限元模型 也可用于进行预试验分析，帮助设计更合理的试验方案。当试件制造完成之后，进行 模态试验或阻尼、载荷、响应等的测量。其试验结果可直接用于评价，同时通过相关 性分析，帮助c a e 模型更准确地反映真实情况。 1 3 本文的主要工作 随着发动机及动力传动系统振动特性的研究已相对成熟，传统的理论计算、试验 模态分析、模态综合方法和有限元方法得到了综合应用，所建模型具有一定的精度， 结合试验研究，能解决一些发动机与动力传动系统振动相关的实际问题。但是，针对 发动机的研究范围有待拓展，现行的研发多为局部优化为改进，做的工作停留在实验 和匹配，缺乏主动开发和正向设计理论和实践指导；动力传动系统弯曲、扭转振动耦 合的问题是很复杂的，目前在这方面的研究还不够深入，对弯曲、扭转振动及其相互 间振动耦合的动力传动系统振动综合分析模型的精度不高。因此，对于动力系统振动 耦合问题，在耦合机理和系统建模等方面尚待深入研究。除此之外，现有的研究的成 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 果的整合和拓展也成为汽车n 问题发展的瓶颈，研发关注的对象要从零件级向部件 级和系统级扩展，从更科学和实际角度看待汽车振动噪声问题，成为汽车振动噪声研 发的关键。 i 本文对汽车动力传动系统n 的研究内容和研究方法进行了综合性论述，介绍 了n v h 的研究对象、研究内容以及研究方法的概念和应用领域，并以试验车型的动 力传动系统的振动、噪声分析为基础，完成该车型动力传动系统的优化分析设计。本 文主要进行以下几项工作： 1 ) 动力传动系统振动噪声机理分析与控制：处于低中频段的动力传动系统振动是 引起发动机及传动系统零部件破坏的直接原因，也是车内低频噪声的主要振源。综合 应用整机及系统级多场耦合模型技术，传递路径分析和模态贡献量分析技术等，对其 存在的n 问题进行分析和研究。 2 ) 汽车排气系统振动噪声机理分析与试验：利用b k3 5 6 0 d 振动噪声测试系统， 4 5 0 8 b 加速度传感器，4 5 0 6 b 加速度传感器及p u 璐e 测试分析软件包进行排气系统及 转向管柱自由状态、安装状态两种工况下的模态实验。 。 3 ) 汽车排气系统有限元分析与优化：根据实际尺寸，建立排气系统的三维模型， 进一步导入a n s y s 中得到有限元模型后，进行所需的振动、噪声特性分析及谐响应 分析。 4 7 “ n 麓 誊 羔 、嘧l矗彳 2 1 汽车n v h 技术研究内容及方法 f 笋 f i 2 1 1 汽车n v h 研究的主要对象和主要内容 图2 1 是汽车振动噪声的主要传播途径，可以从三个层面上考虑汽车的n v h 问题： ( 1 ) 振动噪声源：发动机、路面不平、风噪声、胎噪等。 ( 2 ) 传递路径：隔振隔声系统、车身及内饰等。 ( 3 ) 接受体：方向盘的加速度或入耳处的声压值，但最终是人对振动噪声的感觉。 堕h 动力总龋胎，风噪 减振系统 底盘，发动机悬置 门霸翱 _ 。_ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 隔声、吸声系统 密封条，地毯，座椅 望 !i!，一 振动 平顺性，怠速抖动 空气传播路径 内部噪声 路噪，发动机噪声f ， 风噪，低频轰鸣 图2 1 汽车振动噪声的主要传播途径 f 蟾2 1m a i n 协咀s 五盱p a t h0 fa u t o m o t i v e 肿i 强dv i b r a t i o n 因此汽车n v h 问题主要处理以下四个主要方面，即： ( 1 ) n v h 系统固有特性的研究 对汽车n v h 系统进行物理和数学的描述，通常利用c a e 建立汽车的整车或零部 件的结构或声学模型，计算其固有模态特性或传递特性。在试验方面，当样车制造完 毕后可利用试验获得系统的结构或声学模态特性或传递特性，而且测试获得的结果还 - 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 可以与c a e 进行相关性分析和建立混合模型。 ( 2 ) 振动噪声的激励外载荷 j 。 气 由于汽车的使用条件极其复杂多变，其外载荷相当复杂和多样化。从发动机旋转 ；、 体的不平衡，到路面的不平乃至风噪声等等都可以成为车内振动噪声的激励源，而且 外载荷的时间历程大都带有随机的性质。通常利用试验手段测定汽车的外载荷，对测 定的试验数据进行统计和分析处理，确定典型载荷和极限载荷，用于试验室台架试验 和。墟计算。 ， ( 3 ) 动力响应 动力响应是研究汽车n v h 系统在外载荷的激励下的响应。在c a e 领域利用系统 的数学模型和测量得到的外载荷，预测计算汽车振动或噪声的响应。而在试验中可以 直接测量样车响应，用以获得其n v h 性能或寻找问题根源。 ( 4 ) 主观评价标准 。 由于汽车c a e 的最终受体是人，所以必须对评价标准进行研究。主观评价与客观 评价间的关系一直是一个难题，需要进行大量的试验和研究 2 1 2 汽车n v h 研究的主要方法 汽车m ，h 特性研究的内容广泛而且复杂，研究方法主要分为两类：计算机仿真 研究( c 觚) 与试验研究。q 墟和试验是n 分析的两个互补的不可分割的手段。在 。墟方而，当有了一个设计之后，通过前处理软件建立有限元、边界元卧饥犯脚 模型或统计能量分析( s e 的模型，继而进行响应计算、评价、优化和重设计，而同时 有限元模型也可用于进行预试验分析，帮助设计更合理的试验方案。当试件制造完成 之后，进行模态试验或阻尼、载荷、响应等的测量。其试验结果可直接用于评价，同 时通过相关性分析，帮助q 墟模型更准确地反映真实情况。下面分别对n v h 研究相 关。地理论、试验技术进行介绍。 2 1 2 1 ( 邑技术 计算机仿真是利用建立汽车动力学模型，然后进行n v h 特性分析，到目前为止， 已经形成了几种比较成熟的理论和方法。 ( 1 ) c a e 研究相关理论方法 、。 。 ； ， ( a ) 多体动力学 多体( m b ) 系统动力学方法将系统内各种部件抽象为刚体或弹性体，研究它们在大 范围空间运动时的动力学特性。在汽车n 特性的研究中，多体系统动力学方法主 6 - 了 工l 。 多 霉 尊、l一；j ；葺l】l 篝 f ， 疆 ；图2 2 汽车多体动力学模型实例 f 蟾2 2b 跚丑p 胞so f 删棚b o d y 删0 f v c 垴c k 有限元法 有限元方法( f e m ) 是把连续的弹性体划分成有限个单元，通过在计算机上划分网 。格建立有限元模型，计算系统的变形和应力以及动力学特性。由于有限元方法的日益 完善以及相应分析软件的逐渐成熟，使它成为研究汽车n v h 特性的重要方法。方 面，它是用于车身结构振动、车身内部空腔噪声的建模分析；另一方，与多体系统动 力学方法相结合用来分析汽车底盘系统的动力学特性，其准确度也大大提高。 图2 3 汽车有限元模型实例 f 蟾2 3e 勰m p l e s0 ff em o d do fv e h i c 丑e ( c ) 边界元方法 边界元方法( b 0 伽d a r ye l 锄e n tm e t h o d ，b e m ) 是将描述振动声辐射问题的核姆霍 兹( h e h n h o l 哟方程边值问题划为边界积分方程，并吸收有限元方法的离散技术而发展 起来的：边界元方法是求解边界积分方程弱解的一种数值方法，它在边界上放松了对 未知量的连续性要求，通过将边界划分成一系列的“单元 ，并对边界未知量采用一定 7 l ，j 东北大学硕士学位论文 第2 幸汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 的插值函数进行离散插值，最后将边界积分方程离散化为一系列“节点未知量的线 性代数方程组，求解这一方程组，即可得到边界“节点一上的未知量，进而根据需要 计算分析域内的参数。相比有限元方法等区域型解法，其显示了自身的以下特点：首 先它将问题的维数降低一阶，从而使得数据准备工作量和求解自由度大为减少；其次 又由于它利用了微分算子的解析基本解作为边界积分方程的核函数，具有解析与数值 相结合的特点，通常具有较高的精度；最后，边界元方法中的基本解适合于无限和半 无限求解域，分析时不需要“外边界 。随着边界元方法的发展，其解的非唯一性及奇 异积分等问题的较好解决，提高了计算精度及收敛速度，其在解决振动声辐射问题的 应用中日益广泛。 ( d ) 统计能量分析( s e a ) 从频域里看，在低频范围内饲巨常是0 1 5 0 h z ) ，由于结构或声学的模态密度比较小， 用有限元法从设计数据出发，建立汽车的空间模型，计算前若干阶模态，利用模态截 断和模态综合等自由度减缩方法，使得有限元法能非常有效地处理低频问题。但对于 中高频( 3 0 0 h z 以上) 的汽车特性预测，系统的高模态密度( 单位频带宽的模态数) 和高模 态重叠( 共振峰数目和频带宽的比率) 使得有限元方法也存在着明显的局限。如果采用 f e m 或瑚孙i 建立模型，将大大增加工作量而且其准确程度并不高，许多有限元模型 的精度在几十阶模态后变得很低；模态法已经不是非常有效。由于短波分辨率要求而 产生的大规模数字计算问题；车身内饰声学材料建模；高频段内许多结果都带有非常 大的随机性等问题都使有限元解决陈旧问题产生了很大的困难。而在( 2 0 i k 2 【h z ) 的 人耳可听的频率范围内，感兴趣的大多集中在中高频段。统计能量分析( s e a ) 恰巧是 解决局部高模态密度、高模态重叠和随机问题的最有效的方法。因此将在高频范围 ( 4 0 0 h z 1 5 k h z ) 用统计能量分析处理n _ i 问题。 ! 统计能量分析将“结构一声学 系统划分为一系列相互作用的子系统，每个子系 统都用其在空间和时间上的平均能量来定义。“结构一声学”系统还是一个“源传递 路径受体 的模型，但用能量和功率在子系统间的流动来表示。即： 一 毋一l 三i 怛) 。 ( 2 1 ) 式中： 料是各子系统的输入功率( 源) ；f l l 是子系统间的传递损失矩阵，由系统的固 有特性决定( 传递路径) ；但 是各子系统的能量( 受体) ，由子系统的声压或加速度的空 间和时间平均决定。 - 8 7 1 ，、 k t ： 0 0 。t 震 0 1；奎尹 ， 铆 第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 ( a ) s e a 输入功率示意图( i ，) 车外半无限声场边界条件 ( a ) 咖i n p u t0 f s e a 删( ”e 】【t e 栅跏i i n 】匡n i t c 州a i ) r n d i l i 蚰 图2 4 汽车声学s e a 模型实例 飚2 4 脚o f s 队瑚酗o f v e h i c k 有限元法与统计能量分析的比较见表2 1 ： 表2 1 有限元法与统计能量法的比较 t 盈l b l e 2 1c o m 】p a r i s b c 咖h 狐a n ds e a c ) q 墟研究的一般思路 对于车身等弹性元件通常使用有限元方法建模，计算出它们的模态。通过模态分 析可以得到车身子系统的频率以及应力、变形等方面的信息，据此可以修改车身结构 中不合理的部分，并为组装整车系统做好准备。 对于悬架、转向装置等存在大范围空间运动的底盘机构，通常利用多体系统动力 学方法将系统内各部件抽象为刚体或弹性体，研究系统在低频范围内的动力学特性。 整车系统中的声学模型是由f e m 产生的声学模态和s e a 模型组成。研究汽车低 频n v l 特性时，根据所研究的频率范围确定需要计算的声学模态，然后在组装整车 模型时将得到的声学模态与车声结构模态相耦合。或者在建立有限元模型时就将空气 和车身结构相耦合，再将求出的耦合系统的模态用于整车分析。在中高频的声学特性 研究时，则需要建立统计能量模型。 轮胎模型对研究汽车n v h 特性至关重要。因为轮胎直接与地面相接触并且被不 平路面所激励，所以要用约束模态建模而不能用自由模态。考虑到轮胎橡胶材料的非 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 线性特性，需要利用非线性有限元方法建立轮胎模型。 2 1 2 2n v l i 中主要试验方法 ( 1 ) n v h 试验方法的分类 n v h 的试验可以划分为底盘n v h 、动力总成n v | l 和车身n v h 三部分。这三部分 的主要试验方法见表2 2 、表2 3 和表2 4 。 、。 表2 4 表2 2 底盘系统的主要试验方法7 1 扣 t a b l c 2 2m a i ni e s tm e m o d s0 fc h 鹬s i ss y s t 锄 技术要点试验方法 分析噪声通过前后桥传递的特征 分隔、隔离噪声传递途径 发动机转速高低与车内噪声的关系 试车场噪声路面的振动与噪声关联 通过激励前桥或后桥来进行噪声测量 噪声主要有结构的连接点如橡胶块等传递， 通过隔离、分隔悬挂系统连接点来找到噪声源 在半消声室内进行发动机转速和车内噪声的测试 在试车场噪声激励路面，高速环道等路面状况下 进行车内噪声的声压分析 表2 3 动力总成系统的主要试验方法 t a b l c 2 3m a i nt 伪ll 批m o d so f p 0 聊删s y s l c m 技术要点试验方法 发动机噪声 发动机附件的噪声 声强、声功率的测量 进排气系统对车内、外噪声影响 仪表板的减振隔声 底板和驾驶室的隔声技术 空调压缩机的降嗓 空调盘管和风扇的降噪 发动机半消声室内韵声压声强测试 发动机壳体与附件的振动测试 整车半消声室的进场测量法测试 半消声室的进场测量法测试车内噪声的声压测量 表2 4 车身系统的主要试验方法 t a b l e 2 4m a i nt c s tm e t h o d so fc 盯b o d ys y s t e m 技术要点试验方法 白车身，前后桥子系统的模态试验 嚣霎霉墓翥蓑要萎，嚣菩萋篡：器篡篇 用电磁激振器，加速度计迸行模态试验 白车身与发动机支架，前后桥连接点的强度、刚 。一一”一一 度测量 j 整车声学传递函数 全息摄影测量 以声源为输入，加速度为输出的声学传递函数计 算 用全息摄影装置对仪表板，车身前后侧围进行振 动分析 - 1 0 ： j ， 者 鼋 了 ： i j ； 0 1 。o ，蕾- 第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 识方法它将测试的机械系统假设为一个有限个自 m j + c j + 眉工一厂 ( 2 2 ) 进行描述；进而从所测的激励输入和响应输出数据中去辨识模态参数的一种方 法。 试验模态分析技术主要可以分为四个主要环节： ( 1 ) 机械系统的激振技术 ， 。 ( 2 ) 激励和响应量的测试技术，包括动态测试技术、数据采集和信号处理 ( 3 ) 频率响应函数估计 ( 4 ) 模态识别。 图2 5 汽车模态试验实例 f i g 2 5e x 觚i p l 懿0 f m o d a lt e s to f v c h i d e 针对不同的机械系统，不同的工作情况，在四个环节中应采用不同的技术方法。 在汽车n v h 设计中，通常通过模态试验来描绘汽车整车或零部件的固有频率以 了解其固有特性，避免汽车在使用过程中产生共振影响其n v h 性能。 模态分析的另一个重要意义是它能以较少的自由度全面而又相当精确地去描述一 个复杂结构的动力学特性，从而大大简化了问题的分析与计算。简单地说，就是利用 系统的固有频率和振型的正交性，以系统的各阶振型矢量所组成的振型矩阵作为变换 矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性变换，使原来耦合的方程在模态坐标系统中解 耦。而系统在原有物理坐标系统中，对于任意激励的响应，可以视为系统各阶固有振 型按一定比例叠加的结果。各阶振型在叠加中所占的比例，则用相应的模态坐标来决 _ 1 1 - 东北大学硕士学位论文第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 定，故模态分析法又称振形叠加法。由于采用模态截断的处理方法，使方程数大为减 少，从而大大减少了计算时间，降低了计算成本。：i m ) 声源识别试验 j 传统噪声源识别方法包括：主观评价法、近场测量法、选择运行法、表面振动速 度( 加速度) 法、频率分析法、分布噪声源的相干诊断方法、倒频谱法等，这些方法具 有各自的优点和局限性，在汽车的噪声试验中仍然得到广泛的应用。近年来，利用声 强法、声场变换等方法识别噪声源的技术得到了较快的发展。 7 ( a ) 试验现场( i ) ) 某发动机怠速项部声强云图 似f i g 哦0 f 躐删 s 伽n d i n t 哪i t y 咖咖锄也e t o p s i d c o f 姐伽画h e 删【n n i n g i n i m c 叩e c d 图2 6 声强试验实例 ， 如2 6 脚o f s 咖d i n 铷s n y 慨t 声强识别法的基本原理是利用声强与质点速度的关系，求出质点速度。设一块面 积为文体积为y 的空气体，在没有声波作用的时候s 截面上的各点保持平衡。在声波 沿x 方向传播时，截面上的位移为x 。由质点速度m 和声压p 的基本关系可知，当两 个传感器间距为，第1 个传声器上的声压p l ，第2 个传感器声压为p 2 ，则速度为 砧- 珈p z a 净 ( 2 3 ) 式中，p 为空气密度。 通过两个传声器测得的声强为 j r f 一一杀( p 2 + p 1 ) 八p 2 一a 沙 ( 2 4 ) 另外，声强探头具有明显的指向特性，这使声强法在识别噪声源中更有其特色。 - 1 2 1 爻 、， ， 孽 j i ： 枣 ，d1嘎l。苎量飞， ， 尊 材 者测量效率高，近年来逐渐被人们所重视，但扫描参数选取的随意性会直接影响测量精 度，并且不能给出声场的分布信息。 ( a ) 连续扫描法一( b ) 离散点法 ( a ) s w 哪m 咖咖删：秭d 妇t e p o i n t 傩踟删删 图2 7 声强试验方法图示 i i 吕2 7m e t h o d s o fs 咖d i n t 即戚哆t e 吼 2 2 动力传动系统振动噪声分析方法研究 本文所提出的动力传动系统并不是传统意义上的将发动机发出的功率传递给车轮 并带动汽车运行的系统，而是发动机、进排气系统、动力传动系统总成在一起的整个 汽车的动力装置系统。随着汽车n v i i 技术的发展，已经能够将汽车动力装置进行整 体分析、优化。随着动力传动系统振动特性的研究相对成熟，传统的理论计算、试验 模态分析、模态综合方法和有限元方法得到了综合应用，所建模型具有一定的精度， 结合试验研究，能解决一些发动机与动力传动系统振动相关的实际问题。但是，针对 发动机的研究范围有待拓展，现行的研发多为局部优化为改进，做的工作停留在实验 和匹配，缺乏主动开发和正向设计理论和实践指导；动力传动系统弯曲、扭转振动耦 合的问题是很复杂的，目前在这方面的研究还不够深入，对弯曲、扭转振动及其相互 - 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 间振动耦合的动力传动系统振动综合分析模型的精度不高。因此，对于动力系统振动 耦合问题，在耦合机理和系统建模等方面尚待深入研究。除此之外，现有的研究的成 果的整合和拓展也成为汽车n v i 问题发展的瓶颈，研发关注的对象要从零件级向部 件级和系统级扩展，从更科学和实际角度看待汽车振动噪声问题，成为汽车振动噪声 研发的关键。? 2 2 1 模态匹配方法研究 模态匹配方法又称为模态综合方法模态综合方法首先将一个复杂结构分为若干 个结构( 或部件) ，然后对每个子结构进行模态分析( 计算的或试验的) ，得到子结构 的动力特性，然后再根据子结构之间的联结条件，利用子结构的模态特性和模态坐标 建立起来的联结方法，将已经获得的子结构的模态动力特性进行综合，从而得到原整 体结构的模态特性。 模态综合方法的基本步骤如下： ( 1 ) 确定界面 将一个复杂结构分为若干个子结构( 或部件) ，子结构之间的联结处称为界面。如 图2 8 所示，原结构( a ) 可分割为( b ) 子结构a 与b ，增加了一个固定界面。 b ( a ) 原结构( b ) 子结构a 与b 图2 8 原结构分割为子结构a 与b f i 9 2 8 i n l 蜮s 缸咖d c v i d e 蛐b s y s t 锄a 柚d b ( 2 ) 计算子结构模态及第一次坐标变换 设子结构自由运动方程为： 。 b 戤 + 艮戤) 一 ，) ；( 2 5 ) 它可分割为： 瞄三j ：】信 + 阵：】仁 4 z q d 其中，仁，) 为非界面物理坐标，仁，j 为界面物理坐标，协 为界面力。考虑自由振动， ：f ，l 第2 章汽车排气系统振动噪声机理分析与试验 则 为子结构主模态集。 考虑式( 2 6 ) 的静力方程： 可得： 或 可得到子结构运动方程： k 眠 + k k ) 一o ， 阮】一酞戎】 k 】一阮0 i r 瞄球h 升 k 一也】1 k k ，) k ) 一蛾肛，j ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 为结构的约束模态集 取模态矩阵眵】一k 九】作子结构坐标变换 仁 一勋】( 2 1 4 ) 即由下式用结构的模态矩阵沟通结构物理坐标和模态坐标： 阱瞌撇) $ 其中，伽，) 为对应主模态的模态坐标，切j 为对应约束模态的模态坐标，可见 ! p ，j - 仁， ，约束模态坐标即位界面物理坐标。 利用式2 1 4 将式2 1 5 变换到模态坐标扫) 上，得： i防】) + 防肛 一任)( 2 1 6 ) 1 5 驴 一西，k ；， 一 ，-_-_-。-l i ，iii_-l-lij 嘞；， l ，jk 令 东北大学硕士学位论